时态地理信息系统探析

PAGEPAGE10时态地理信息系统探析内容内容内容摘要：时态地理信息系统〔TGIS〕是在传统地理信息系统的基础上，将描绘叙述事件的时间要素纳入系统范围之内，实现空间信息随时间变化的跟踪和分析，回首TGIS的发展历史，分析当下TGIS进一步发展的相关技术，提出TGIS将是拓展地理信息系统应用范围的主要桥梁，通过TGIS，能够将使地学、测绘、计算机技术和经济管理愈加亲密地结合起来。本文本文本文关键词语语语：时态地理信息系统；时间；时间数据库；系统王晨玮王建利P208A1671—7597〔2012〕0120016-02自从二十世纪六十年代末世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统〔CGIS〕诞生以来，人类对地理信息系统的研发就没有停止过，而且经过1973—1982年的大量实验开发阶段，到八十年代末全面进入了商业开发和运作阶段。如今，GIS已经被普遍用于测绘、资源开发与管理、农林水利、城市建设与规划、国防建设和全球变化与地学研究领域。在GIS不断发展和完善的经过中，新的观念和思想使计算机技术具有了灵魂和指点。能够说GIS是将计算机信息技术与地学等相关专业知识完美结合的杰作之一。随着计算机技术的发展，GIS关于对详细事物的描绘叙述方法从单一实体，互相联络的平面投影，到愈加广阔的空间，在不断完善。1时态地理信息系统〔TGIS〕的产生和发展时态地理信息系统〔TemporalGeographicInformationSystem，TGIS〕是能够处理时间因素，可跟踪和分析空间信息随时间变化的地理信息系统。TGIS的观念最早由Thrift在1977年初次提出，Basoglu和Morrison于1978年设计了最早的HGIS〔HistoricalGeographicInformationSystem〕。但由于计算机技术的限制，此后相当一段时间内TGIS无人问浸。直到Lorentzos和Langran分别于1988年和1989年完成了关于TGIS方面的博士论文，才将TGIS的研究从新推向了一个高潮。为促进TGIS的发展，1996年UCGIS〔UniversityConsortiumforGeographicInformationScience〕将TGIS作为“地理描绘叙述扩展〞的一部分列入GISci十大优先研究领域之列。使TGIS的研究广泛展开。1.1时态地理信息系统〔TGIS〕的涵义空间〔Location〕、时间〔Time〕和属性〔Attribution〕是描绘叙述客观对象的三个基本要素。但相对成熟的GIS对空间和属性的描绘叙述比较全面，对时间性的处理大多是静态的。GIS对客观对象是“快照〞式的描绘叙述，系统对“过去〞和“将来〞的描绘叙述非常困难。而且，由于来自不同时间的信息可能会导致毛病匹配，实际中往往造成分析中的逻辑毛病。这就在一定水平上限制了GIS的应用，尤其是对时间性要素要求比较严格的管理活动。TGIS是能够跟踪和分析随时间变化的空间、非空间信息的地理信息系统。在TGIS中，地理实体对象能够描绘叙述为如下的关系：E=f〔S，T，A〕其中：E为被描绘叙述的地理实体或事件；f为映射关系；S为空间参数，通过空间坐标体系和空间关系来描绘叙述；T为时间参数，通过时间坐标体系和对象的发展经过的关系来描绘叙述；A为属性参数，是对被描绘叙述的、具有特定的空间和时间参数的地理实体的特性的描绘叙述。由于地理实体的空间、时间和属性要素具有不可分割性，因此只要对这三个属性的完好表达能力揭示地理实体和现象的特征、规律。完善的TGIS应该具有基本的储存、分析、更新、质量控制、调度、模仿以及静态制图的功能。1.2关于TGIS中的时间传统的GIS基本上是针对空间和属性两方面的数据，而TGIS还要在这里基础上考虑时间要素。因而，需要对时间要素进行认真分析。从信息系统来看，时间是一条没有端点、向过去和将来无限延伸的线轴。由于客观地理实体与光速之比能够忽略不计，因而，能够以为时空之间不产生互相作用，时间仅仅仅仅是一种特殊的测度标准，它反映了事件序列的表现形式。在TGIS中，根据时间对事件的影响能够将时间类型归纳如表1。在系统信息中包括了上述的时间信息，就能够使GIS的分析、评价、预测等功能更进一步。而当下对TGIS研究的重点之一恰是怎样处理因引入时间要素而成几何积数增长的数据信息。2时态地理信息系统〔TGIS〕发展的相关技术2.1计算机等相关技术是TGIS的基础从GIS的发展经过能够清楚地看出，GIS的发展与计算机技术的发展息息相关，计算机技术的每一次突破都会带来GIS的大发展。但是，TGIS从一开始就遭到海量数据和计算速度的影响。实际上，数据和计算速度同是时间这一个问题的两个方面。在计算速度一定的情况下，随着数据的增长。处理的时间就会延长；在数据信息量不断增长的情况下，计算速度得不到同步提升，处理的时间也会延长。可见，时间是数据信息处理中的重要因素之一。同时，合理的时间组织一方面能够系统中减少数据的冗余，另一方面又能够提升系统的运算速度。因而时间又是影响计算机处理的重要因素之一。正确处理时间因素是当下计算机发展中必需面对的一个重要问题，也是TGIS的发展契机。当下，随着计算机储存技术和运算速度的不断提升，TGIS的研究具备了需要的基础。而由于网络技术的发展，数据信息的标准化的加快，数据信息分享的逐步实现，大大节约了系统内有效的储存空间，对TGIS的发展起到了积极的推动作用。2.2时间数据的合理组织是IGIS的保障时间仅仅仅仅是描绘叙述客观对象的三大要素之一，而且它必需依附于客观对象才具有实际意义。为了全面、系统、真实地反映客观对象，需要将其属性赋以对应的时间。因而，TGIS中的时间比较复杂〔见表1〕。对这些时间属性的管理，当下重要有三种形式：第一是在传统GIS中空间数据库和属性数据库的基础上，从新构建时间数据库来管理事件的时间要素，即时间作为新的一维；第二是在传统的GIS中的属性数据库中，增长相关的时间记录来管理对象的时间要素，即时间作为附加的属性数据；第三是面向对象的方法，打破关系模型范式的限制，直接支持对象的嵌套及变长记录。其中第二种形式比较容易实现，但精确度受数据容量的限制，而且运行速度比较慢。第一种和第三种形式的研究是当下的热门。从信息系统的角度来看，构建独立的时间数据库是TGIS的发展方向。而面向对象的时间数据库设计能够更直观地反映时间的动态变化。但由于具有时空特性的数据信息的复杂性，以及计算机技术的限制，固然对时空数据管理的研究不少，但效果并不睬想。郭达志等于1993年提出了用十六叉树表示矿山GIS中的空间和时间的四维数据模型，但对离散变化、多边形、网络构造等空间对象，这种形式的效率比较低。陈晋等于1995年提出了时空一体化的TGIS数据模型，应用效果则遭到计算机技术的影响。当下关于TGIS数据模型的讨论重要有：序列快照模型〔SequentSnapshots〕、基图修正模型〔Basestatewithamendments〕和时空组合体模型〔Time—spacecomposite〕等。相对来讲，时空组合体模型能够将时间和空间属性有机地结合起来，便于系统分析、管理功能的实现。以合理的数据模型为框架，对时间信息应进行数据库式管理。针对大量的时间数据储存方式，Snodgrass和Ahn〔1987〕将时间数据库详细分为四类〔如表2〕。实际设计中采取最多的是历史数据库。一般能够将描绘叙述对象的时间在详细分类的基础上，不断把静态数据库的信息存入构建的历史数据库，并通过时态数据库建立数据库的关联。2.3与相关系统的有效关联是IGIS发展的前提TGIS能够自成系统，但这一系统并不是完全孤立的系统，它是在传统GIS的基础上，充足考虑时间要素对客观对象的动态影响建立起来的。因而，TGIS的关系相对愈加复杂。首先，TGIS必需处理好系统内部的关联关系。TGIS要充足利用传统GIS已经建立起来的信息关系，利用其中的空间、属性数据信息，在这里基础上增长时间要素以知足相关分析、管理的要求。因而，建立TGIS决不时抛开传统的GIS，而是以GIS为基础。这就要求TGIS中新增的时间数据模型必需与GIS系统中已经建立起来的模型互相兼容，保证系统内信息的完全分享。其次，TGIS的运行需要大量的信息资料，这些信息的来源必定是多元化的，因此要求TGIS能够顺利承受提供信息的基础系统所提供的信息。这一方面是数据标准问题，要求数据资料必需标准化；另一方面要求TGIS必需是一个开放的系统，数据信息既能够传入，可以以读出，只要符合规定的权限。另外，GIS整体也在不断发展完善，TGIS的发展本质上是进一步架通管理与相关专业的桥梁。以GIS为基础平台来发展管理系统，将会使现代管理手段发生根天性的改变，更好地知足管理的要求。因而，客观上要求TGIS系统的设计应该具有管理的理念，为系统的不断丰富留有余地。3TGIS的发展瞻望当下，计算机技术仍在以加速度的方式发展，将为TGIS的发展提供愈加有力的支撑。因而，TGIS不断发展完善是必定的。TGIS作为GIS的一个主要发展方向，随着相关技术的突破，其研究水平会迅速提升，应用领域将不断扩大。3.1计算机处理速度的进一步提升将为TGIS的发展提供更有力的支撑随着计算机软、硬件技术的发展，计算机速度仍在不断提升，这为TGIS技术的突破提供了有力的技术保障。众所周知，GIS面对的是海量数据，增长时间属性，客观对象的数据信息就会成倍增长，处理工作量就会以几何积数的方式增长。计算机处理速度的提升，将使这一问题得到相应的解决。同时计算机速度的提升，会相应地提升工作效率，进一步扩大计算机的应用领域，这为TGIS的普及应用做好了操作上的预备，为TGIS软件系统的推广提早培育了市场。TGIS系统会逐步构成一个不断推出、检验、进一步改良的良性循环。进而促进TGIS的不断发展。3.2网络技术和数据管理技术的发展将为IGIS的发展减轻数据处理的负担网络技术的发展使信息工业突飞猛进，也为TGIS的发展创造了条件。随着数据标准化进程的加快，长期以来困扰TGIS的数据问题能够得到一定的解决。数据标准化施行以后，通过建立数据信息分享基本数据库，将其与相关专业数据库建立联合，实现数据分享和及时传输，充足利用网络技术来减轻TGIS的数据管理负担〔如此图1〕。3.3IGIS应用领域的不断拓展TGIS是GIS的发展方向之一，但GIS也仅仅仅仅是技术、经济发展中的一个小系统。因而，TGIS的发展自己就应当坚持系统论的观点。当下固然研究TGIS的学者不少，但大多是从技术上来寻求突破，从管理学的角度来进行研究的并不是许多。实际上，从管理学的角度来看，受管理方法的限制，对信息的空间性要求相比照较弱，但对信息的时间性要求比较高。而这恰是GIS的弱点，因而GIS直到当下仅在宏观规划中应用较多，而在微观管理领域没有得到普遍应用。略微留意就能够发现，现代管理对数据库的应用非常广泛，从最初的Basic，到dBASEⅡ、dBASEⅢ、dBASEⅣ，以及后来的FoxBASE、Foxpro、VfoxPro直至当下的数据库技术，都在管理中得到了充足利用。但数据库管理的信息中普遍缺少空间信息。随着经济的发展，企业的经营